Localizacionismo Cerebral Cortical. Una contribución de
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Localizacionismo Cerebral Cortical. Una contribución de
Localizacionismo Cerebral Cortical. Una contribución de Brodmann que sigue hasta nuestros días Dr. Mario Sánchez Celedón1 1 Licenciado en Medicina y Cirugía – Universidad de Iberoamérica Coordinador Fisiología Médica y Bioquímica Médica Resumen: Introducción: Conocer la historia detrás del desarrollo de todos los conocimientos que hoy se dan por existentes es una tÁrea fundamental en la vida de todo médico. Saber de dónde procede el conocimiento mejora cuantitativamente la capacidad del médico de retener la información y poder continuar con su tÁrea de innovación y desarrollo de teorías, prácticas y procedimientos. Metodología: Se realiza una breve revisión bibliográfica de los conceptos detrás de la historia del localizacionismo, técnicas utilizadas para el monitoreo de la actividad cerebral y del concepto detrás de la neuroplasticidad. Conclusión: La exploración de la función cerebral continúa siendo un reto a pesar de la tecnología existente. La presencia de métodos cada vez más innovadores de imagen y neurodiagnóstico han permitido profundizar en el mapeo y disposición de las estructuras cognitivas, sin embargo sigue siendo un amplio campo por explorar. Introducción Comprender el funcionamiento de la corteza cerebral ha sido y continúa siendo un tema central e importante en la neurociencia. Esta última, envuelve múltiples disciplinas, enfocadas a la Abstract: Introduction: Knowing the history behind the development of medical knowledge is a fundamental task in the life of every physician. To know where knowledge comes improves quantitatively the physician's ability to retain information and he is in obligation to continue gathering innovation and development of theories, practices and procedures. Methodology: Perform a brief review of the concepts behind the history of localizationism, some techniques used for monitoring brain activity and the concept behind neuroplasticity. Conclusion: The exploration of brain function remains a challenge despite existing technology. The presence of increasingly innovative imaging and neuro methods have deepened in mapping and layout of cognitive structures, yet remains a wide field to explore. persistente búsqueda del conocimiento integral del sistema nervioso; uno de sus componentes esenciales, la neuroanatomía, ha sido partícipe en la constante investigación de la relación estructura y función cerebral. El Página 1 de 10 localizacionismo cerebral cortical, corriente que da sus inicios en el siglo XIX (1), como respuesta a la explicación del origen del pensamiento y control de nuestra función y conducta, basa su hipótesis en el concepto «una función, una ubicación» (“one function, one location”) (1), con base en el trabajo de Paul Broca en 1861, quien dio el primer hito de dicha teoría. (1) El objetivo de esta revisión es dar una visión general y esquematizada de las principales funciones de la corteza cerebral humana, dividido en cuatro apartados: En un primer apartado, se revisarán los antecedentes históricos en el conocimiento de la función cortical, aprovechando las amplias revisiones bibliográficas publicadas tras el centenario de la publicación del trabajo de Korbinian Brodmann (1868-1918), el cual continúa siendo una guía del estudio de las neurociencias en la actualidad (1). Como segundo apartado, se revisará brevemente las principales metodologías disponibles en la actualidad, mediante las cuales se han llegado a establecer y confirmar los conocimientos actuales. Respecto al tercer apartado, se realizará una descripción de la relación anatomía-función, de acuerdo con las áreas corticales descritas por Korbinian Brodmann. Finalmente y no menos importante, en un cuarto y último apartado, se discutirá brevemente la posición de la neuroplasticidad frente al localizacionismo, debido al respaldo otorgado por el desarrollo tecnológico al localizacionismo frente a la investigación cambiante y dinámica que ha tenido la neuroplasticidad. Antecedentes Históricos - De la definición a la localización El estudio neuroanatómico se presenta desde los inicios de las denominaciones del encéfalo, desde el antiguo Egipto, en donde se establece inicialmente un componente de relación entre la estructura de la cabeza asociada a una pérdida de función, más detalladamente la pérdida del lenguaje, como está descrito por los médicos de la época en el conocido papiro de Breasted (2). Mientras la historia continúa su curso, y los grandes pensadores se toman la tÁrea de observación de la conducta y función del ser humano, el cerebro gana poco a poco su descripción como centro de inteligencia y entendimiento, descrito así por Alcmeón, discípulo de Pitágoras en el siglo VI a.C. (2), como centro de las emociones y del control del cuerpo humano de un modo contralateral, planteado inicialmente por Hipócrates. Respecto a dicho control, Areteo de Capadocia propone la decusación inicialmente, la cual es descrita por Gall y Spurzheim en 1910, para ser finalmente probada por Cruveilhier en 1835. (2) Con el paso de los años, el estudio del cerebro se vuelve cada vez más localizado, estudiando sus partes individualmente en lugar de hacerlo como un todo. Se inició con el estudio de las circunvoluciones en el siglo II en Asia por Galeno (2). Fue en los siglos XVII y XVIII donde se incrementa el estudio de las circunvoluciones cerebrales, época que dio origen a la Frenología por Franz Joseph Gall y Spurzheim, quienes indican que "determinadas áreas corticales eran responsables de algunos atributos mentales” (2). El avance postfrenológico en el siglo XIX busca entender, desde un punto de vista más neural, aquello que la hipertrofia ósea Página 2 de 10 frenológica no explicaba, retomando el estudio de la función cortical tras las investigaciones realizadas por Pierre Flourens en animales (2). Y es durante este siglo, en donde los avances en la microscopía permiten examinar los elementos celulares del parénquima cerebral, dando paso a tres importantes investigadores sobre los componentes celulares del sistema nervioso (2): Gerlach - con la propuesta del sincito funcional neuronal sin diferencia estructural; Camilo Golgi - con su teoría reticularista de una red intersticial; y Santiago Ramón y Cajal, (considerado como “el padre de la neurología moderna” (2) y responsable de la idea de la neuroplasticidad (1)) - con la teoría de la independencia nerviosa, corroborado actualmente por la microscopía electrónica. Es durante esa época que Oskar Vogt establece en Berlin su instituto multidisciplinario de investigación cerebral, el “Kaiser-Wilhelm Institut fur Hirnforschung in Berlin-Buch”, en donde llama a Korbinian Brodmann a formar parte de su investigación en el instituto (1). Utilizando métodos de tinción desarrollados por Weigert y Nissl, organiza topográficamente la corteza cerebral descrita en un inicio en Berlín por Theodor Meynert (1). Es durante estas investigaciones que Brodmann realiza las comparaciones de la citoarquitectura de los mamíferos, descrita por Brodmann como “la localización de los elementos histológicos del individuo, sus capas, y su fraccionamiento en el cerebro del adulto”(1). Aun cuando no es la única teoría de fraccionamiento cortical en áreas definidas, el mapa de Brodmann se convirtió en la más famosa, al publicar en 1908 su representación en áreas funcionales del cerebro humano (1) y posteriormente en 1909 en su monografía “Vergleichende Lokalisationslehre der Großhirnrinde” (1), continuando con el concepto de “una función, una ubicación” originado por investigaciones de Paul Broca y secundadas por investigaciones de Carl Wernike, concepto base de la teoría localizacionista (1, 3). Al día de hoy, el localizacionismo funcional descrito por Brodmann ha sido confirmado tanto por investigaciones clínicas como por técnicas de neuroimagen (1), sin embargo también ha presentado numerosos cuestionamientos (1, 4) por el concepto de una estructura única para una función (1) y el fortalecimiento que ha tomado la neuroplasticidad (1); respecto a este tema se profundizará más adelante. Desde la Neurofisiología hasta la Neuroimagen funcional - Métodos de estudio de la función cortical Para la investigación de la función cortical, los estudios iniciales se basaron en la investigación observacional y comprensión anatomo-patológica de lesiones que presentaban los pacientes mientras estaban vivos, similar a la investigación de Broca (1, 4), con la limitación de no poder ser observados en tiempo real. La historia queda marcada con el establecimiento de la función cortical del sistema motor y sensitivo, mediante estímulos eléctricos con electrodos directamente colocados en corteza cerebral (electrocorticografía ECoG), llevados a cabo por Penfield y Jasper, brindando una prueba real y práctica de la fragmentación cortical cerebral propuesta inicialmente (1) y describiendo gracias a esta investigación el conocido Homúnculo de Penfield. Posteriormente, investigaciones llevadas a cabo por Talairach y Bancaud, mediante la implantación de electrodos profundos en la corteza cerebral (SEG Estereoelectroencefalografía), con la cual Página 3 de 10 describe su “Atlas Estereotáxico de Talairach” (5). Hoy en día, la innovación tecnológica dista mucho del escenario inicial, con métodos de estudio por imagen o por estudios neurofisiológicos (en los cuales se realiza el registro de actividad neuronal mediante registro de la actividad eléctrica o electromagnética de las células a través de la piel o directamente por registro cortical (1). En este apartado se describirán algunos métodos utilizados para el estudio de la función, así como sus limitaciones y consideraciones de uso, tomando como principio el criterio actual de invasividad mínima o nula para estudios funcionales (1), para el estudio funcional se utilizan principalmente dos tipos de tecnologías: aquellas que utilizan fuentes electromagnéticas para recoger la señal y las que utilizan la radiación de partículas o radio- nucleídos (6) Técnicas por irradiación Son especialmente dos las utilizadas en la actualidad las técnicas conocidas como SPECT (Tomografía computarizada de emisión mono-fotónica) y PET (Tomografía por emisión de positrones) (6). Ambas técnicas tienen un límite de uso por paciente, debido a la radiación acumulativa que puede llegar a causar. La SPECT suele utilizar Tecnecio99 unida a un ligando o bien Xenon133, esta última ofrece muy buena resolución temporal (capacidad de captar información a tiempo real) (6), en donde se estudia el flujo sanguíneo cerebral durante el metabolismo de los tejidos (1). La PET mide la concentración de rastreadores radioactivos administrados sistémicamente, donde junto a isótopos producidos por un acelerador lineal, miden captación de oxígeno, flujo sanguíneo cerebral y captación de glucosa por los tejidos (1), es una técnica que se aproxima a estudios funcionales en tiempo real, sin embargo la dependencia de la radiación la vuelve inconveniente para su uso continuo (6). Técnicas por fuentes electromagnéticas Se pueden distinguir dos tipos: las que utilizan fuentes electromagnéticas externas (fMRI - Resonancia magnética funcional y MRS - Espectroscopía por resonancia magnética) y las que utilizan fuentes electromagnéticas generadas por el propio cerebro (EEG Electroencefalografía y MEG Magnetoencefalografía)(6) La fMRI y MRS muestran clara ventaja sobre PET y SPECT debido a que al utilizar campos magnéticos no sufre un efecto acumulativo, y la repetición del estudio puede ser realizado un mayor número de veces, sin embargo la acción de dichos campos no está del todo definida (1). La MRS es útil para medir la composición del tejido cerebral y de ciertas sustancias sin requerir intervención quirúrgica (1). La fMRI es rápida, cómoda y relativamente inocua (1), sin embargo no mide directamente la activación neuronal, sino cambios en flujo sanguíneo y la captación y utilización de oxígeno y glucosa por los tejidos, lo cual es un método indirecto que retrasa el estudio por el tiempo existente entre activación neuronal y cambios metabólicos (1). La EEG registra la actividad eléctrica que se genera en la corteza cerebral de forma espontánea, mediante el uso de electrodos dispuestos sobre el cuero cabelludo, lo cual brinda una mala resolución espacial (capacidad de captar información en sitio específico) por las estructuras que atraviesa el impulso, las cuales actúan como resistencia disminuyendo la intensidad de la señal (1). La MEG consiste en la detección de Página 4 de 10 campos magnéticos, generados por la corriente eléctrica intracelular desde el soma a la dendrita (generalmente) (6, 7), con una detección en milésimas de segundo. Presenta superior sensibilidad y especificidad para resolución espacial y temporal, haciendo de esta una ventajosa técnica para la investigación funcional, así como para el estudio, diagnóstico, seguimiento y pronóstico de enfermedades (6, 8), como desventaja se encuentra la necesidad de su utilización dentro de una habitación aislante de campos magnéticos externos, lo cual limita su portabilidad (6). Esta prueba está siendo utilizada junto con la imagen 3-D de la resonancia magnética como método de elección al explorar la función de la corteza cerebral (1). lado (1) es como Brodmann realiza su investigación en la corteza cerebral del ser humano y ocho mamíferos, y publica mapas citoarquitectónicos de la corteza (1). Define así un total de 11 regiones, subdivididas en regiones numeradas en secuencia del 1 al 52, con el establecimiento de 43 áreas definidas en la corteza cerebral humana (Ver Fig.1 y 2) (debido a la ausencia de las áreas 12, 13, 14-16 y 48-51 en el ser humano) (3, 10). Dicha disposición de regiones y áreas será la utilizada a continuación para la descripción del mapa topográfico. Cabe destacar que no se detallará cada área a profundidad, sino una noción general del área representada(1). Desde 1906 hasta la actualidad, el legado de Brodmann - Mapa topográfico de la corteza cerebral humana La localización de la función basada en elementos histológicos no es una labor única ni entera de Brodmann. En realidad, mientras él se encuentra realizando sus investigaciones, se instauran 3 corrientes de pensamiento respecto al localizacionismo cerebral (9): aquellos que buscaban localizar la función en base a elementos histológicos individuales; otros creían que cada capa cortical se encontraba asociada a una función específica; mientras que la tercera, a la cual Brodmann pertenecía, creía que había poca evidencia al determinar que el tipo celular o capa cortical influía sobre la función, más bien afirmaba que “regiones del cerebro que contenían estructuras similares tanto en capa como en tipo celular podían producir funciones específicas” (1). Así, mediante el uso de las técnicas histológicas de Nissl y Weigert, e incluso con la colaboración de Nissl a su Página 5 de 10 Fig 1 y 2. Hemisferios cerebrales del cerebro humano con la Topografía de Brodmann aplicada. Fuente: Garey, L. (2006). Brodmann's Localisation in the Cerebral Cortex. New York: Springer., p. 108. Región Postcentral • Áreas 1 ,2 y 3 (intermedia postcentral, caudal postcentral y rostral postcentral) - forman el giro postrolándico y constituyen la corteza sensitiva primaria (Homúnculo somatosensorial). Gestiona las funciones somatosensoriales primarias como localización de tacto, temperatura, dolor, vibración entre otras.(10-12) • Área 43 (subcentral) - formada por la unión del giro pre y postcentral al surco central, se extiende a la profundidad del surco de Silvio, con límites respecto a la corteza insular. Gestiona la función del área del gusto. (10, 11) • Región Frontal • Áreas prefrontales 9 a 11 de Brodmann (granular frontal, frontopolar, prefrontal) - Cubre el polo anterior de la corteza frontal, comprendiendo parte de los giros frontal superior, y medio, giro recto y rostral. Zona donde asienta la capacidad de generación de ideas abstractas, juicio, sentimientos, emociones y personalidad.(10, 11) • Áreas 46 y 47 de Brodmann (orbital y media frontal) -Forman la porción dorso lateral, que recibe y proyecta conexiones con las regiones de asociación sensoriales de los lóbulos parietal, temporal y occipital, Región Precentral • Área 4 (gigante piramidal) - sitio de estructuras delimitables con mayor diferenciación citoarquitectónica, forma el giro pre-rolándico y se extiende sobre el límite superior hacia el lobulillo paracentral, consituye la corteza motora primaria (Homúnculo motor). Gestiona las funciones de movimiento voluntario fino. (10, 11) Área 6 (frontal agranular) - se extiende desde el surco callosomarginal al borde superior de la cisura de Silvio en una forma triangular. Conformada por porciones de los giros frontal superior, frontal medio, giro precentral. Su función es almacenar programas de actividad motora, de acuerdo a experiencia pasada (11). Programa la actividad del área motora primaria. (10) Página 6 de 10 conectando finalmente con la región prefrontal. (10, 11) • • Área frontal premotora 6 y 8 (intermedia frontal) - Es una zona extensa de transición entre las áreas anteriores donde se diseña qué hacer y las motoras que lo ejecutan. Incluye la zona de los movimientos conjugados de ojos (unión de las áreas 6, 8 y 9) (10, 11) Áreas 44 y 45 de Brodmann (opercular y triangular) -Es una zona de coordinación de movimientos de la zona de la cara, laringe, faringe y respiratorios. (10, 11) Región Parietal • • Área de asociación sensitiva 5 y 7 de Brodmann (preparietal y parietal superior) - Recibe e integra modalidades sensitivas, comparándolas con experiencias previas, permite reconocer y describir objetos con la mano sin necesidad de verlos. Esta capacidad se conoce como estereognosia. (10, 11) Área de asociación sensorial 39 y 40 de Brodmann (angular y supramarginal) rodean la parte posterior de la Cisura de Silvio. Su función es integrar y relacionar la información sensitiva, auditiva y visual. En el hemisferio dominante forma parte del Área descrita por Carl Wernicke. (10, 11) Región Occipital • • Área visual primaria 17 de Brodmann (estriada) - situada alrededor de la Cisura Calcarina. Es un área de proyección primaria donde termina la vía óptica. (10, 11) Área de asociación visual 18 y 19 de Brodmann (occipital y preoccipital) - rodean al área 17, su función es integrar información visual y compararla con experiencias previas, de forma que su lesión impide reconocer objetos en el campo visual contralateral. (10, 11) Región Temporal • Área auditiva primaria 41 y 42 de Brodmann (temporal transversa medial anterior y temporal transversa lateral posterior) - situada en el giro de Heschl, en circonvolución temporal media, recibe información bilateral del sistema auditivo. (10, 11) • Área de asociación auditiva 22 de Brodmann (temporal superior) ubicada en circonvolución temporal superior, su función se relaciona con la interpretación de los sonidos. (10, 11) • Neocórtex posterior y basal 20, 21 y 37 (temporal inferior, temporal media y occipitotemporal) - conectan áreas visuales y con el circuito límbico. (10, 11) Las siguientes regiones presentaron una dificultad adicional para la descripción de su función, serán citadas únicamente por la región a la cual pertenecen: Región Temporal • Área 36, 38 y 52 (parahipocampal, temporopolar y parainsular)(10) Región Insular • Enterrada en el surco lateral y forma su piso. Sus conexiones no se conocen por completo, es homogénea en composición lo cual dificultó su descripción inicial. (10, 11) Región Cingular • Área 23, 31, 24, 32, 33 y 25 (ventral posterior cingular, cingular dorsal posterior, cingular ventral anterior, Página 7 de 10 cingular dorsal anterior, pregenual y subgenual)(10) Región Retroespenial • Área 26, 29 y 30 (ectosplenia, granular retrolímbica y agranular retrolímbica)(10) Región Hipocampal • Área 27, 28, 35 y 35 (presubicular, entorrinal, dorsal entorrinal y perirrinal)(10) El mapa topográfico propuesto por Brodmann se ha convertido en una herramienta clásica en el campo de la neurobiología (1), y ha encontrado camino en el campo de la neuroimagen funcional (1), ya que los avances tecnológicos han confirmado los modelos citoarquitectónicos propuestos por Brodmann hace ya más de un siglo, a pesar de las limitaciones que tiene, las cuales serán discutidas en el último apartado. Kötter (1) indica muy certeramente “¿Qué hubieran hecho Brodmann, Campbell y otros pioneros del mapeo cerebral si hubiesen vivido en esta época? Lo más probable es que estarían emocionados por las técnicas cuantitativas, multi-modales e in vivo con las que actualmente dispone la neuroanatomía. Neurolocalizacionismo vs. neuroplasticidad - Complementos o Reestructuración de la Neurología Moderna En este último apartado, se aprovecha la oportunidad de revisar brevemente las interacciones que ha presentado estos dos campos de la neurociencia. Habiendo descrito ya al localizacionismo, la neuroplasticidad surge a partir del trabajo de Santiago-Ramón y Cajal (1), y es llevada a un mayor plano posteriormente a la pregunta “¿Tiene el cerebro la suficiente plasticidad para reorganizar su llamado mapa rígido, si las circunstancias lo demandan?” (1), planteada por Jules Cotard durante su investigación con niños que presentaban daño cortical en el área designada por Broca para el lenguaje, los cuales podían comunicarse normalmente contrario a la hipótesis “una función, una ubicación” (1). Durante el siglo XX, se mantuvo la teoría que las estructuras neurales eran inmutables en estructura después de la niñez, sin embargo, esta creencia está siendo desafiada por nuevos resultados, que sugieren “que todas las áreas del cerebro presentan plasticidad aún después de la niñez” (1). Además, el localizacionismo ha presentado múltiples críticas en la actualidad, debido a problemas que surgen ante la necesidad del investigador de utilizar el mapa como una guía estructural para el funcionamiento cortical, entre las cuales encontramos: la descripción de subregiones funcionales donde Brodmann detalló homogeneidad (3); la ausencia descriptiva (verbal o ilustrada) de las características de cada área, dificultando la ubicación topográfica en cada surco (1); y por último, la rigidez que presenta la descripción original, la cual al no presentar referencias de ubicación dificulta su aplicación en los cerebros estudiados actualmente (1), esto debido al problema conocido como variabilidad interindividual, donde la microanatomía es variable a través de múltiples cerebros, incluso se ha encontrado variabilidad en el homúnculo de Penfield, en un ensayo donde se documenta una variación entre el pulgar y el índice (8), o bien la reestructuración neuronal cortical que ocurre ante la terapia de miembros fantasmas (1), terapia para trastornos obsesivo compulsivo (1), neurogénesis (1) Página 8 de 10 entre otras. Por estas, e innumerables razones más (que por motivos de espacio no es posible expandir), afirmar hoy en día el concepto “una función, una ubicación” parece estar muy lejos de la realidad. Sin embargo, permite la estandarización de investigaciones y permite establecer puntos de referencia y de partida para la replicación de estudios (1, 3, 4). Conclusión El estudio de la función cortical cerebral ha cambiado en múltiples ocasiones y cada vez con una complejidad mayor. Hipótesis y teorías que se han mantenido a lo largo del tiempo han llegado a ser refutadas o confirmadas en escenarios controlados. Durante mucho tiempo, el localizacionismo de Brodmann contribuyó con la neurociencia, la neuropsicología y la neurología en el establecimiento de nuevas teorías, nuevas investigaciones o explicaciones a trastornos presentados por la población. Hoy en día, sigue siendo un pilar fundamental en el estudio de la función cortical, tanto así que la ciencia médica ha buscado tipificar objetivamente las funciones de la corteza, a voluntad para crear evidencia que explique el rol de un área específica sobre una función (4), haciendo a un lado el hecho que el cerebro ya no es aquella máquina inmutable, sino una masa de arcilla, “vulnerable y maleable respecto influencias positivas y negativas del medio” (1). Similar a los grandes cuestionamientos filosóficos de la existencia de la raza humana, quedan más dudas que respuestas, respecto a la función de un órgano estructuralmente tan adaptable y variable como nuestra propia mente, que continúa planteando nuevas incógnitas respecto a su función. Función que curiosamente estudiamos con las mismas herramientas que no se han llegado a comprender; es decir, la generación del pensamiento y de ideas para comprender la función de la estructura misma que nos está brindando dicha capacidad cognitiva. Sin lugar a dudas, el campo de la investigación se vuelve muy amplio y cada vez hay más por descubrir, donde una aproximación biologista, científica o causal ya no son suficientes para explicar su vasta complejidad, y se vuelve necesario introducir disciplinas a la búsqueda continúa de la función y estructura del sistema nervioso. Referencias 1. Acharya S, Shukla S, Mahajan S, Diwan S. Localizationism to Neuroplasticity---The Evolution of Metaphysical Neuroscience. 2012. 2. Duque-Parra JE. Elementos neuroanatómicos y neurológicos asociados con el cerebro a través del tiempo. Revista de Neurología. 2002;34(3):5. 3. Geyer S, Weiss M, Reimann K, Lohmann G, Turner R. 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